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1、气相色谱（Gas Chromatography,GC）,什么是色谱?,分配系数（K）在一定温度下，组分在两相之间分配达到平衡时的浓度比。,气相色谱法是以气体为流动相，以液体或固体为固定相的色谱方法。气-液色谱（GLC）和气-固色谱（GSC）气相色谱法主要利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离。,气相色谱法（GC）的特点,高选择性分离分析性质极为相近的物质。高效可在较短的时间内同时分离分析极其复杂的混合物。高灵敏度可以检测10-1110-13g物质。检测浓度可达到ppt级。分析速度快一般分析只要100101min，某些快速分析，1秒可以分析十几个组分。应用范围广适用于沸点低于40
2、0的各种有机或无机试样的分析。,过程工程学报，2002,2(2):122-126,气相色谱法（GC）的特点,不足之处：不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质的分析。被分离组分的定性较为困难。,GC的应用范围,生物化学分析：脂肪酸和脂肪胺石油化工分析：用200 m的毛细管一次可以分析200个化合物环境分析：如水中有机物分析食品分析：如粮食中残留农药的分析、白酒分析药物临床分析：氨基酸、兴奋剂的分析军工分析：如火药、炸药分析等,气相色谱组成,气路系统,分离系统,进样系统,分析系统,检测器+控制系统,气相色谱结构流程,1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；7-进
3、样口；8-色谱柱;9-检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪或工作站,载气系统,进样系统,色谱柱,检测系统,温控系统,气相色谱分离过程,待测样品在高温的气化室气化后在惰性气体的带动下进入色谱柱，色谱柱内含有液体或固体固定相，每种组分都倾向于在流动相和固定相之间形成分配或吸附平衡。但由于载气是流动的，这种平衡实际上很难建立。由于载气的流动，使样品组分在运动中进行反复多次的分配或吸附、解吸。结果是在载气中分配浓度大的组分先流出色谱柱，而在固定相中分配浓度大的组分后流出色谱柱，进入检测器。,检测器通过不同的反应机理将样品的浓度信号转换为电信号，并将电信号放大后传送给记录仪或色谱工作站，
4、就是色谱图。如果没有样品流出时，此时记录的信息是检测器的本底信号，即色谱图的基线。,GC色谱图,影响分离的因素,色谱柱的选择柱长和柱径固定液的极性载体的选择色谱柱的温度载气的流速进样时间和进样量,载气种类的选择,载气种类的选择应考虑三个方面：载气对柱效的影响、检测器要求及载气性质。载气摩尔质量大，可抑制试样的纵向扩散，提高柱效。载气流速较大时，传质阻力项起主要作用，采用较小摩尔质量的载气（如H2，He），可减小传质阻力，提高柱效。热导检测器需要使用热导系数较大的氢气有利于提高检测灵敏度。在氢焰检测器中，氮气仍是首选目标。在载气选择时，还应综合考虑载气的安全性、经济性及来源是否广泛等因素。,气体
5、种类,GC检测器,把柱后流出的组分信号转变为可测量的信号（一般是电信号）性能：灵敏度检测限,GC检测器,热导检测器（TCD）氢火焰离子化检测器（FID）电子捕获检测器（ECD）火焰光度检测器（FPD）热离子检测器（TID）光离子化检测器（PID）,检测器一般都要求灵敏度高、检测限低、死体积小、响应快、线性范围宽、稳定性好。,检测器的分类,微分型和积分型浓度型和质量型通用型和专用型破坏型和非破坏型,TCD微分型、浓度型、通用型、非破坏型FID微分型、质量型、通用型、破坏型,热导检测器（TCD）,TCD是基于物质的热导系数而设计的检测器。用来测量气体热导的热导池一般是由热的良导体不锈钢制成。当流经
6、热导池的气体的热导率发生变化时，热导池池体发生Q的热量变化，引起热敏元件T的温度变化，从而使热敏丝的阻值变化R，这种变化由惠斯顿电桥测定，最后反映出组分的浓度变化C。,热导检测器的结构,池体（一般用不锈钢制成）、热敏元件（钨丝）参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。,影响TCD灵敏度的因素,桥路电流I：I，钨丝的温度，钨丝与池体之间的温差，有利于热传导，检测器灵敏度提高。检测器的响应值 S I 3，但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高，还可能造成钨丝烧坏。池体温度：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的
7、灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。,影响TCD灵敏度的因素,载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。氦气也具有较大的热导系数，但价格较高。,氢火焰离子化检测器（FID）,1958年，JHarley首先发展了这种检测器，它是GC中最常用的一种，特别适于毛细管GC。它有很多优点，比如通用性强，几乎对所有的样品都有响应，而对水、空气、惰性气体、不电离的物质则几乎没有响应；灵敏度高，线性范围宽，响应速度快。不能用氢火焰离子化检
8、测器检测的物质有：H2、He、O2、N2、Ar、Xe、NO、NO2、N2O、NH3、CS2、COS、H2S、CO、CO2、H2O、HCHO、HCOOH、SiCl2、SiHCl3、SiF4等。,氢火焰离子化检测器（FID）,典型的质量型检测器;对有机化合物具有很高的灵敏度;无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应;氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点;比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达10-12g/g。,(1)在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100300V）构成一个外加电场。(2)氢焰检测器需要用到三种气体：载气：N2，携带试样组
9、分；燃气：H2；助燃气：空气。使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。,氢火焰离子化检测器（FID）,FID的原理,(1)当含有机物 CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基：CnHm CH(2)产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应：CH+O CHO+e(3)生成的正离子CHO+与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应：CHO+H2O H3O+CO,A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区：温度最高D层：反应区,FID的原理,(4)化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约10-
10、610-14A）；(5)在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器。(6)组分在氢焰中的电离效率很低，大约五十万分之一的碳原子被电离。(7)离子电流信号输出到记录仪或工作站，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线。,影响FID灵敏度的因素,各种气体流速和配比的选择 N2流速的选择主要考虑分离效能，N2：H2=1：11：1.5 氢气：空气=1：10。极化电压 正常极化电压选择在100300V范围内。,电子捕获检测器（ECD）,高选择性检测器主要用于负电性物质的检测分析，如对含有卤素、S、O、硝基、羧基、氰基、共轭双键体系、有机金属化合物等有很高的灵
11、敏度。对大多数烃类没有响应较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定。,火焰光度检测器（FPD）,化合物中硫、磷在富氢火焰中被还原，激发后，辐射出400、550 nm 左右的光谱，可被检测；FPD对S、P化合物有极高的选择性和灵敏度。是大气污染和残留农药测定的有力工具。,热离子检测器（TID）,氮、磷检测器，对N、P有高灵敏度。,光离子化检测器（PID）,PID是利用紫外光激发解离电位较低的化合物，使其电离而产生信号的检测器。,气相色谱柱,填充柱大多数填充柱的内径为3-5 mm，用不锈钢或玻璃制成。毛细管柱毛细管柱为200-500 m内径的弹性石英制成，它分为空心和填充两种，空心柱的内壁
12、被均匀地涂上了固定液来实现高效分离。,毛细管柱出口与检测器间连接的死体积是影响柱效降低和峰拖尾的重要因素，因此常常在柱的出口处补充额外的载气，叫尾吹。这种方法只适用于质量检测器。,气液色谱,气液色谱的固定相是由担体和固定液组成，担体是承担固定液的支架，又称为载体。担体一般要求比表面积大，有良好的缝隙结构（分布均匀），固定液能均匀地展成液膜；担体必须具有化学惰性，不与分离组分发生作用，不参与分配平衡；粒度均匀，成球型。,气液色谱担体,固定液,固定液：高沸点难挥发的有机化合物，种类繁多(1)对固定液的要求应对被分离试样中的各组分具有不同的溶解能力，较好的热稳定性，并且不与被分离组分发生不可逆的化学
13、反应。(2)选择的基本原则“相似相溶”，选择与试样性质相近的固定相。,(3)固定液分类方法 如按化学结构、极性、应用等的分类方法。在各种色谱手册中，一般将固定液按有机化合物的分类方法分为：脂肪烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等。(4)固定液的最高最低使用温度高于最高使用温度易分解，温度低呈固体(5)混合固定相,(6)固定液的相对极性规定：角鲨烷（异三十烷）的相对极性为零，-氧二丙睛的相对极性为100。,气固色谱,实际上是吸附GC，它的固定相是吸附剂，常用的吸附剂有以下碳黑、硅胶、氧化铝等几种。碳黑：将碳黑在2000-3000高温煅烧，使表面均匀化，有稳定的表面性质，重复性极好，对烷烃、脂肪
14、酸、胺、酚有很好的分离效果。分子筛：比表面积大，一般为内面积700-800m2/g，外面积1-3 m2/g，常用的有4A、5A和13X，对烃类气体有很好的分离效果。它的缺点是对二氧化碳和水产生不可逆失活。,气固色谱,高分子小球：GDX、Porapak等，组分的峰形好。硅胶：比表面积大约100-200 m2/g，活性点多，峰易拖尾。氧化铝：主要用于气体和低级烃类的分离。,气相色谱的定性方法,1利用保留值定性2利用调整保留值与碳数的关系定性 烷烃类、烯烃类、酮类、醛类、醇类等在确定的条件下，其调整保留值VR与碳数ni存在如下关系，lgVR=Ani+B3沸点规律 具有相同碳数的同族同分异构体的比保留
15、体积Vg和沸点Tb之间存在如下关系，lgVg=aTb+b,气相色谱的定性方法,1.利用纯物质定性的方法利用保留值定性：通过对比试样中具有与纯物质相同保留值的色谱峰，来确定试样中是否含有该物质及在色谱图中的位置。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。利用加入法定性：将纯物质加入到试样中，观察各组分色谱峰的相对变化。,2.利用文献保留值定性利用相对保留值定性相对保留值仅与柱温和固定液性质有关。在色谱手册中都列有各种物质在不同固定液上的保留数据，可以用来进行定性鉴定。,3、与其他分析仪器联用的定性方法气质联用仪（GC-MS）色谱-红外光谱仪联用仪；组分的结构鉴定,气相色谱的定量方法,峰面积或峰高归
16、一法外标法内标法,气相色谱的定量方法定量校正因子,试样中各组分质量与其色谱峰面积成正比，即：m i=fi Ai 绝对校正因子：比例系数f i，单位面积对应的物质量：f i=m i/Ai相对校正因子fi：即组分的绝对校正因子与标准物质的绝对校正因子之比。,气相色谱的定量方法归一法,归一化法简便、准确；进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。,气相色谱的定量方法外标法,也称标准曲线法外标法不使用校正因子，准确性较高，操作条件变化对结果准确性影响较大。对进样量的准确性控制要求较高，适用于大批量试样的快速分析。,气相色谱的定量方法内标法,内标物要满足以下要
17、求：试样中不含有该物质；与被测组分性质比较接近；与试样不发生化学反应；出峰位置应位于被测组分附近，且无组分峰影响。,气相色谱的定量方法内标法,试样配制：准确称取一定量的试样W，加入一定量内标物 mS计算式：,气化温度的选择,色谱仪进样口下端有一气化器，液体试样进样后，在此瞬间气化；气化温度一般较柱温高3070 防止气化温度太高造成试样分解。,固定相的选择,气液色谱，应根据“相似相溶”的原则分离非极性组分时，通常选用非极性固定相。各组分按沸点顺序出峰，低沸点组分先出峰。分离极性组分时，一般选用极性固定液。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性小的先出峰。分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物，一般选用极性固定液。此时，非极性组分先出峰，极性的（或易被极化的）组分后出峰。,醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物的分离，通常选择极性或氢键性的固定液。组成复杂、较难分离的试样，常使用特殊固定液，或混合固定相。,色谱的历史,进样口,分流进样方式不分流进样方式填充柱,分流进样方式,不分流进样方式,填充柱,
